CN116211560A - 基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法。属于医疗器械领域，当支架涂层中装载的磁性纳米颗粒含量因降解而发生变化时，其所对应的磁共振T2信号强度也会发生变化，因此对支架降解过程中相应时间点的磁共振图像进行采集并计算支架区域的平均灰度变化，可以得到支架的涂层降解曲线，描述支架涂层的降解过程。该方法相比失重、分子量测量等支架降涂层解表征方法实现了对同一个支架降解过程的连续、无损检测，消除了支架组间差异，节约成本，更重要的是，该方法有望应用于临床，实现可降解聚合物血管支架植入体内后降解过程的实时与无创监测。

Description

基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及了一种基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，具体的是，涉及了一种基于磁共振图像灰度计算的整体可视化聚合物血管植入器件涂层降解过程的分析方法。
背景技术
新型可降解聚合物植入器件具有良好的生物安全性与有效性，并且可降解聚合物植入器件除了发挥血管狭窄、血管再生过程的支撑作用外，也是优良的药物载体，通过载药涂层实现药物的高效递送与可控释放，可以有效改善患者的预后。因此，探究可降解聚合物植入器件涂层的体外和体内涂层降解过程，对于可降解聚合物植入器件的植入后的药物释放行为、血管修复进程等治疗过程有重要意义。
目前聚合物植入器件涂层降解的体外研究一般采用失重法、分子量测定等方法，其缺陷在于不能直观可视化的描述植入器件涂层的降解过程，且检测过程对植入器件造成损伤而不能对同一植入器件进行连续监测，因此体外的涂层降解的研究方法只能间接的推测植入器件植入体内后的降解过程；另一方面，由于聚合物材料本身密度较低，在CT、磁共振(MR)等常用医学影像检测下难以分辨，增加了植入过程的操作难度之外，其体内降解过程和内皮化过程往往通过血管内OCT和超声等有创的方式进行成像评估，也增加了后续检测过程的风险，也难以实现聚合物血管植入器件在体内的无创、实时的监测。
将具有良好磁共振成像增强效果的超顺磁性纳米颗粒通过超声喷涂的方法与可降解聚合物植入器件有效结合，实现了聚合物植入器件在磁共振影像监测下的整体可视化。进一步，由于磁性纳米颗粒被装载在植入器件的涂层中，在涂层的降解过程中，随着植入器件涂层中所装载的磁性纳米颗粒含量逐渐减少，其相应的磁共振影像增强效果也逐渐降低，磁共振图像的灰度上升，因此，利用磁共振影像对所构建的可整体可视化的聚合物血管植入器件进行监测，可以有效降低植入器件的体外降解过程表征的成本，同时可以对同一根植入器件进行长期跟踪检测，提高了一致性，更重要的是，利用磁共振影像分析的方法，可以为植入器件植入体内后的无创监测与降解过程的定量分析提供有效的解决方案。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供了一种基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，该基于影像学信号变化的新型植入器件降解分析方法可以实现对可降解聚合物植入器件涂层的体外、体内降解过程的无创、实时跟踪监测。
本发明的技术方案：本发明所述的一种基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其具体操作步骤如下：
步骤(1)、以pH＝7.4的PBS溶液为降解环境和磁共振扫描介质，将装载不同质量磁性纳米颗粒涂层的支架浸没并确保支架表面没有粘附气泡，置于37℃恒温环境下进行降解；
步骤(2)、根据预设的降解过程监测时间点，利用7T磁共振成像系统T2mapping序列对支架的横截面进行多层图像采集；
步骤(3)、将采集所得图像进行灰度分析，圈定支架横截面所在区域，计算每层图像中圈定区域内每个像素点的灰度信息，得到支架整体的平均灰度值，绘制灰度随时间变化的曲线以描述支架涂层的降解过程。
进一步的，在步骤(1)中，所述植入器件是聚合物冠脉支架和血管再生组织工程支架材料中的一种。
进一步的，步骤(1)的操作步骤是：所述装载不同质量纳米颗粒涂层的支架由超声喷涂法将含磁性纳米颗粒的喷涂液喷涂在支架外表面制备；
其中，所用喷涂溶液中超顺磁性纳米颗粒的质量浓度为0～500ug/mL。
进一步的，在步骤(2)中，所述利用7T磁共振成像系统T2 mapping序列扫描参数具体设置为：有效采集层数为8层，每层间隔0.8mm，每层采集25张图像，Repetition time(TR)＝3000.0ms，Echo time(TE)＝9-225ms，每张图像递增9ms，Number of average＝1，Echotrain length＝1，Flip angle＝90°，图像分辨率为256×256，图像大小为50×50mm。
进一步的，在步骤(2)中，所述预设的降解过程监测时间点设置为：在降解前和开始降解后的第3、7、14、28、56、90天。
进一步的，在步骤(3)中，所述降解过程的具体操作步骤如下：
a、选取步骤(2)中扫描所得每层支架25张图像中的一张，确保每层所选图片的TE参数相同的图像，共8张；
b、读取目标格式图片；
c、全局阈值分割，去除具有较高灰度值的图像背景，确定支架横截面所在区域；
d、读取所选区域内每个像素的灰度值，计算该层图像中支架横截面的平均灰度值；
e、将所选8层图像的灰度值计算完毕后，再次计算平均灰度值，得出支架整体的平均灰度值；
f、根据步骤(2)中所预设的降解时间点，以降解前支架整体的平均灰度为基点，将相应时间点计算所得支架整体的平均灰度值进行归一化处理，值绘制支架整体平均灰度变化随降解时间的曲线。
本发明的有益效果是：本发明的特点：本发明所述的可降解聚合物植入器件涂层降解过程的评价方法为基于磁共振图像灰度计算，可以在不破坏植入器件样品的前提下进行连续实时的监测，相比传统植入器件涂层降解的评价方法，如失重法，分子量测算等具有更高的一致性和更低的成本；相比之下，由于体内生理环境的复杂性，传统体外的植入器件涂层降解评价方法无法有效描述植入器件在体内的降解过程，往往只能通过血管内OCT，血管内超声等有创的方法进行检测，增加了后续检测过程的风险；因此，本发明所述基于磁共振图像灰度计算的聚合物血管植入器件涂层降解过程的分析方法可以用于植入器件植入体内后降解过程的无创跟踪监测，以及后续血管阻塞性疾病发展风险的实时监控。
附图说明
图1为本发明的操作流程图；
图2为本发明实施例1中利用200μg/mL喷涂溶液所制备植入器件降解前所采集的每层磁共振图像及植入器件横截面所在区域的圈定的示意图；
图3为本发明实施例1中利用200μg/mL喷涂溶液所制备植入器件的磁共振显影图像随降解时间的变化及利用本发明中所述方法计算所得灰度变化曲线图；
图4为本发明实施例2中利用100μg/mL喷涂溶液所制备植入器件的磁共振显影图像随降解时间的变化及利用本发明所述方法计算所得灰度变化曲线图；
图5为本发明实施例3中利用500μg/mL喷涂溶液所制备植入器件的磁共振显影图像随降解时间的变化及利用本发明所述方法计算所得灰度变化曲线图；
图6为本发明对比例1中利用不含磁性纳米颗粒的喷涂溶液所制备植入器件磁共振显影图像随降解时间的变化及利用本发明所述方法计算所得灰度变化曲线图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明所述的一种基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其具体操作步骤如下：
步骤(1)、以pH＝7.4的PBS溶液为降解环境和磁共振扫描介质，将装载不同质量磁性纳米颗粒涂层的支架浸没并确保支架表面没有粘附气泡，置于37℃恒温环境下进行降解；
步骤(2)、根据预设的降解过程监测时间点，利用7T磁共振成像系统T2mapping序列对支架的横截面进行多层图像采集；
步骤(3)、将采集所得图像进行灰度分析，圈定支架横截面所在区域，计算每层图像中圈定区域内每个像素点的灰度信息，得到支架整体的平均灰度值，绘制灰度随时间变化的曲线以描述支架涂层的降解过程。
进一步的，在步骤(1)中，所述植入器件是聚合物冠脉支架和血管再生组织工程支架材料中的一种。
进一步的，步骤(1)的操作步骤是：所述装载不同质量纳米颗粒涂层的支架由超声喷涂法将含磁性纳米颗粒的喷涂液喷涂在支架外表面制备；
其中，所用喷涂溶液中超顺磁性纳米颗粒的质量浓度为0～500ug/mL。
进一步的，在步骤(2)中，所述利用7T磁共振成像系统T2 mapping序列扫描参数具体设置为：有效采集层数为8层，每层间隔0.8mm，每层采集25张图像，Repetition time(TR)＝3000.0ms，Echo time(TE)＝9-225ms，每张图像递增9ms，Number of average＝1，Echotrain length＝1，Flip angle＝90°，图像分辨率为256×256，图像大小为50×50mm。
进一步的，在步骤(2)中，所述预设的降解过程监测时间点设置为：在降解前和开始降解后的第3、7、14、28、56、90天。
进一步的，在步骤(3)中，所述降解过程的具体操作步骤如下：
a、选取步骤(2)中扫描所得每层支架25张图像中的一张，确保每层所选图片的TE参数相同的图像，共8张；
b、读取目标格式图片；
c、全局阈值分割，去除具有较高灰度值的图像背景，确定支架横截面所在区域；
d、读取所选区域内每个像素的灰度值，计算该层图像中支架横截面的平均灰度值；
e、将所选8层图像的灰度值计算完毕后，再次计算平均灰度值，得出支架整体的平均灰度值；
f、根据步骤(2)中所预设的降解时间点，以降解前支架整体的平均灰度为基点，将相应时间点计算所得支架整体的平均灰度值进行归一化处理，值绘制支架整体平均灰度变化随降解时间的曲线。
作为优选，所述步骤(1)中装载不同质量纳米颗粒涂层的植入器件制备所用喷涂溶液中超顺磁性纳米颗粒的质量浓度为200μg/mL。
作为优选，所述步骤(3)a中所选择图片对应的TE参数为36ms。
作为优选，所述步骤(3)b中所选择读取图片格式为DCM格式的磁共振成像系统导出的原始文件。
实施例1
本实施例对利用磁性纳米颗粒浓度为200μg/mL的喷涂溶液所制备的整体可视化聚合物血管支架的降解过程进行磁共振图像采集与灰度变化分析，并设置3根支架作为平行组，操作流程如图1所示。
将本实施例所用整体可视化聚合物血管支架按照所述技术方案步骤(1)中所述的操作步骤进行操作，浸没入37℃，pH＝7.4的PBS后，立即按照技术方案步骤(2)中所述的操作置于7T磁共振成像系统中，以T2 mapping序列对支架的横截面进行多层图像采集，所得图像按照技术方案步骤(3)a、b和c中所述的操作进行处理和支架横截面范围圈定，结果如图2所示。
将本实施例所用整体可视化聚合物血管支架在图像采集完成后，继续转移入37℃恒温箱中进行降解，在降解后第3、7、14、28、56和90天进行磁共振图像采集，每次采集所用T2 mapping序列的参数保持一致；数据全部采集完毕后，按照技术方案步骤(3)中所述的操作进行支架横截面范围圈定与灰度计算，并绘制支架整体灰度随降解时间的变化曲线，本实施例所采集的磁共振图像与所绘制的灰度变化曲线分别如图3(a)和(b)所示。
实施例2
本实施例中所述基于磁共振图像灰度计算的整体可视化聚合物血管支架涂层降解过程的分析方法同实施例1，不同之处在于：所使用的整体可视化支架利用磁性纳米颗粒浓度为100μg/mL的喷涂溶液所制备。本实施例所采集的磁共振图像与所绘制的灰度变化曲线分别如图4(a)和(b)所示。
实施例3
本实施例中所述基于磁共振图像灰度计算的整体可视化聚合物血管支架涂层降解过程的分析方法同实施例1，不同之处在于：所使用的整体可视化支架利用磁性纳米颗粒浓度为500μg/mL的喷涂溶液所制备。本实施例所采集的磁共振图像与所绘制的灰度变化曲线分别如图5(a)和(b)所示。
对比例1
本对比例中所述基于磁共振图像灰度计算的整体可视化聚合物血管支架涂层降解过程的分析方法同实施例1，不同之处在于：作为空白对照组，本对比例所使用的可降解聚合物涂层支架利用不含磁性纳米颗粒的喷涂溶液所制备。本实施例所采集的磁共振图像与所绘制的灰度变化曲线分别如图6(a)和(b)所示
综合分析以上对比例与实施例，可以发现，支架涂层中装载磁性纳米颗粒含量的差异会对支架涂层的降解产生影响，支架涂层的降解速率随磁性纳米颗粒含量的上升而加快，进一步说明本发明所述基于磁共振图像灰度计算的整体可视化聚合物血管支架涂层降解过程的分析方法有助于进一步深入探究可降解聚合物支架涂层降解过程的内在机制。
最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。

Claims (6)

1.基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于，其具体操作步骤如下：
步骤(1)、以pH＝7.4的PBS溶液为降解环境和磁共振扫描介质，将装载有不同质量磁性纳米颗粒涂层的支架浸没并确保支架表面未粘附气泡，后将其置于37℃的恒温环境下进行降解；
步骤(2)、根据预设的降解过程监测时间点，利用7T磁共振成像系统T2mapping序列对支架的横截面进行多层图像采集；
步骤(3)、将采集所得图像进行灰度分析，圈定支架横截面所在区域，计算每层图像中圈定区域内每个像素点的灰度信息，得到支架整体的平均灰度值，绘制灰度随时间变化的归一化曲线以描述支架涂层的降解过程。
2.根据权利要求1所述的基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于，
在步骤(1)中，所述支架包括但不限于聚合物冠脉支架和血管再生组织工程支架材料。
3.根据权利要求1所述的基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于：
步骤(1)的操作步骤是：所述装载有不同质量纳米颗粒涂层的支架由超声喷涂法将含磁性纳米颗粒的喷涂液喷涂在支架外表面制备；
其中，所用喷涂溶液中超顺磁性纳米颗粒的质量浓度为0～500ug/mL。
4.根据权利要求1所述的基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于：
在步骤(2)中，所述利用7T磁共振成像系统T2mapping序列扫描参数具体设置为：有效采集层数为8层，每层间隔0.8mm，每层采集25张图像，Repetition time(TR)＝3000.0ms，Echotime(TE)＝9-225ms，每张图像递增9ms，Number of average＝1，Echo train length＝1，Flip angle＝90°，图像分辨率为256×256，图像大小为50×50mm。
5.根据权利要求1所述的基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于，
在步骤(2)中，所述预设的降解过程监测时间点设置为：降解前和开始降解后的第3、7、14、28、56、90天。
6.根据权利要求1所述的基于图像灰度计算的聚合物血管支架涂层降解分析方法，其特征在于，
在步骤(3)中，所述降解过程的具体操作步骤如下：
a、选取步骤(2)中扫描所得每层支架25张图像中的一张，确保每层所选图片的TE参数相同的图像，共8张；
b、读取目标格式图片；
c、全局阈值分割，去除具有较高灰度值的图像背景，确定支架横截面所在区域；
d、读取所选区域内每个像素的灰度值，计算该层图像中支架横截面的平均灰度值；
e、将所选8层图像的灰度值计算完毕后，再次计算平均灰度值，得出支架整体的平均灰度值；
f、根据步骤(2)中所预设的降解时间点，以降解前支架整体的平均灰度为基点，将相应时间点计算所得支架整体的平均灰度值进行归一化处理，值绘制支架整体平均灰度变化随降解时间的曲线。
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